Η παρούσα διπλωματική εργασία εξετάζει τη μετατροπή αγροτικών αποβλήτων σε βιοεξανθράκωμα (biochar) και την αξιοποίησή του σε διεργασίες προσρόφησης και κατάλυσης για περιβαλλοντικές εφαρμογές. Τα αγροτικά απόβλητα αποτελούν ανανεώσιμη και ευρέως διαθέσιμη βιομάζα, η οποία συχνά παραμένει αναξιοποίητη ή διαχειρίζεται με πρακτικές που επιβαρύνουν το περιβάλλον. Η θερμοχημική μετατροπή τους, κυρίως μέσω πυρόλυσης, προσφέρει τη δυνατότητα παραγωγής βιοεξανθρακώματος, biochar, ενός στερεού ανθρακούχου υλικού του οποίου η επιφανειακή χημεία και η δομή μπορούν να αξιοποιηθούν σε διεργασίες απομάκρυνσης και μετατροπής ρύπων.

Αρχικά παρουσιάζονται οι βασικές κατηγορίες αγροτικών αποβλήτων, οι υφιστάμενες μέθοδοι διαχείρισης και οι κύριες θερμοχημικές διεργασίες παραγωγής biochar. Στη συνέχεια αναλύονται οι βασικές τεχνικές χαρακτηρισμού του υλικού καθώς και οι σημαντικότερες φυσικοχημικές ιδιότητες του.

Στο πλαίσιο της προσρόφησης εξετάζεται η χρήση του biochar για την απομάκρυνση διαφορετικών κατηγοριών ρύπων, όπως βαρέα μέταλλα, οργανικές ενώσεις, μικροπλαστικά και πτητικές οργανικές ενώσεις. Η ανάλυση δείχνει ότι η απόδοση της προσρόφησης δεν καθορίζεται μόνο από την ειδική επιφάνεια ή την πορώδη δομή αλλά από τον συνδυασμό της επιφανειακής χημείας του υλικού, της φύσης του ρύπου και των συνθηκών του συστήματος. Επιπλέον, η τροποποίηση του biochar μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την προσροφητική του ικανότητα και την εκλεκτικότητά του.

Στη συνέχεια, μελετάται η χρήση του biochar ως καταλυτικού υλικού για περιβαλλοντικές εφαρμογές. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται (α) στη μετεστεροποίηση για παραγωγή βιοντίζελ και (β) στην ενεργοποίηση υπερθειικών για την οξειδωτική αποδόμηση οργανικών ρύπων. Από τα παραδείγματα που εξετάζονται προκύπτει ότι η καταλυτική συμπεριφορά του biochar εξαρτάται από την παρουσία κατάλληλων όξινων, βασικών, μεταλλικών ή ετεροατομικών ενεργών θέσεων, καθώς και από τη σταθερότητα και την ανακυκλωσιμότητα του υλικού.

Συνοψίζοντας, η αξιοποίηση του biochar αναδεικνύεται ως μια προσέγγιση που συνδυάζει την αξιοποίηση αγροτικών αποβλήτων με την παραγωγή λειτουργικών υλικών για διεργασίες απορρύπανσης και καταλυτικής μετατροπής.

This thesis examines the conversion of agricultural waste into biochar and its utilization in adsorption and catalytic processes for environmental applications. Agricultural waste represents a renewable and widely available biomass resource, which often remains untapped or is managed through practices with negative environmental impacts. Pyrolysis and other thermochemical processes can transform agricultural waste into biochar, a solid carbonaceous material whose surface and structural properties make it suitable for pollutant removal and catalytic transformation processes.

The main categories of agricultural waste, current management practices and the principal thermochemical processes used for biochar production are first presented. The main characterization techniques and the key physicochemical properties of biochar are then discussed.

Regarding adsorption, this thesis examines the ability of biochar to remove different categories of pollutants, including heavy metals, organic compounds, microplastics and volatile organic compounds. The data illustrate that adsorption efficiency is determined not only by the specific surface area and pore structure of biochar, but also by its surface chemistry, the properties of the target pollutant and the conditions of the system. Biochar modification is also shown to be an important strategy for improving adsorption capacity and selectivity.

The catalytic applications of biochar are also discussed, focusing on transesterification for biodiesel production and persulfate activation for the oxidative degradation of organic pollutants. The examples examined indicate that the catalytic performance of biochar depends on the presence of suitable acidic, basic, metallic or heteroatom–containing active sites, as well as on the stability and recyclability of the material.

Overall, biochar emerges as a promising material that links agricultural waste valorization with the development of functional materials for pollution remediation and catalytic transformation processes.